基于谐分量-影响系数法的转子动平衡计算软件开发与应用

2020-10-27何冬辉史晓波李知俊

东北电力技术 2020年8期

何冬辉，史晓波，李知俊

(辽宁东科电力有限公司，辽宁沈阳 110179)

影响系数法和谐分量法是现场在线动平衡常用的2种方法。影响系数法是基于线性振动理论，根据单面或多面初始振动和试加重振动值，依次求得对应影响系数并最终得出校正质量[1-2]。谐分量法是基于振型分离法，将转子端部2个平面的振动原始值、试加重量值和试重后振动值进行矢量分解，分解成2个对称和反对称分量，然后经矢量计算得到最终校正质量[3]。影响系数法动平衡步骤简单清晰，受各种干扰因素影响小，但需要逐个平面进行加重试验，导致机组启停次数较多，能耗大且效率低。与影响系数法相比，谐分量法虽能减少机组启动次数，但其平衡精度受干扰因素也较多，例如支撑动力特性差异、转子轴向不对称性等[4]。本文将影响系数法和谐分量法结合，提出一种在转子不同振型的正交性无法满足的情况下，对影响系数法和谐分量法进行改进应用，从而减少开机次数，提高动平衡效率和精度。

由于谐分量-影响系数法矢量运算复杂，为提高动平衡计算结果精度，基于Vaadin Web开发框架[5]，采用JAVA面向对象编程语言，开发动平衡计算软件，从而更好帮助现场工程人员解决动平衡问题。

1 谐分量-影响系数平衡原理

谐分量法基于振型分离，转子奇次振型的不平衡分布引起对称振动分量，偶次振型的不平衡分布引起反对称振动分量，两者之间互不干扰。这样就可以在转子2个校正平面上同时进行正反分量试加重或配重，从而同时降低2种振型的振动值，例如：在转子上进行对称分量配重，可降低一阶振型的振动，在转子上进行反对称分量配重，可降低二阶振型的振动。但在运用谐分量法动平衡前，需判断转子正交性前提条件是否满足，即转子对称分量只受对称型式加重影响，转子的反对称分量只受反对称型式加重影响[6]。如果前提条件不满足，将降低计算结果的可靠性。因此，谐分量法常用于轴向基本对称双支撑的转子，如发电机转子和汽轮机低压转子。

1.1 正交性前提条件满足情况

谐分量法基本步骤如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

d.根据原始振动和试重后振动正、反分解，分别计算正、反分量加重的影响系数：

(7)

e.根据上述计算出的正、反分量影响系数，分别应用影响系数法计算对称正、反分量加重：

(8)

f.在2个平面上将正、反分量加重合成，得到2个平面上的校准加重量：

(9)

1.2 正交性前提条件不满足情况

当转子正交性前提条件不成立情况下，可将谐分量-影响系数法变通应用，即不将转子两端试配重P1、P2分解为对称和反对称配重，而是将其视为整体配重1 g∠0o，计算加重影响系数。然后根据影响系数法求出2个平面的配重比例系数Q，平面A应加配重为Q×P1，平面B应加配重为Q×P2，其具体步骤如下。

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(11)

(12)

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g.基于上述配重比例系数，重新分配转子2个平衡面的校正质量：

(14)

(15)

2 软件开发

2.1 开发框架及技术特点

随着移动互联网高新技术发展，众多便捷移动终端得到广泛使用，如平板电脑、智能手机，以获得更加丰富的功能体验。与传统桌面应用程序相比，Web应用程序在交互性和兼容性方面优势突出，已在各种移动终端得到广泛应用。Vaadin是一个前端的创建Java Web应用程序的优秀开源框架，以功能完善种类丰富的UI组件形式将高性能数据呈现在客户端Web浏览器，能兼容不同移动终端系统，既降低开发量，又提高开发效率。

Vaadin技术特点和功能如下。

a.服务器端：Vaadin服务器端基于Java Servlet API，以Servlet形式运行在Java Web服务器中，接收来自不同客户端发出的请求，跟踪Session Cookies并解释该用户Session的事件。事件与UI组件绑定，事件监听器负责监听组件状态变化。UI组件若有任何变化，Vaadin服务器端将立即做出响应并刷新页面内容，无需等待用户请求[7]。

b.客户端：Vaadin客户端引擎基于Google Web Toolkit，以JavaScript形式运行在客户端浏览器，无需Flash、Java Applets等浏览器插件(plugin)的支持，兼容多种浏览器，实现了跨浏览器能力。

c.UI组件：Vaadin提供功能完善并具备可扩展性的UI组件，服务器端丰富的UI组件采用Java语言编写，由客户端引擎负责呈现在浏览器上。组件内部能够实现事件——监听器事物处理，并快速返回处理结果。

2.2 软件设计

2.2.1 总体设计

基于谐分量-影响系数法的转子动平衡计算软件在主要面向PC、Pad和智能手机等跨平台、跨终端的实现，其功能模块主要有用户数据输入、计算结果显示和动平衡块安装图示。系统采用MVC架构模式，Model层负责提供数据及对数据的存取操作，View层通过Web浏览器展示系统运行界面，用于接受用户输入的数据，并且展示数据，为用户提供一个友好的操作界面，Controller层负责业务逻辑处理,也是连接View层和Model层的桥梁，其通信都是通过Controller处理。基于Vaadin的B/S技术架构模式的谐分量-影响系数法转子动平衡计算系统的架构设计如图1所示。

2.2.2 业务流程

用户与系统UI组件之间的交互操作是基于事件机制，系统服务器端实现动平衡计算功能，通过应用程序的业务逻辑与用户界面通信，能及时反馈给用户所需要信息。当Servlet容器中的终端适配器接受到客户端引擎发送来的数据输入，Web服务器接受用户请求并调用功能计算模块进行业务处理。UI组件作为事件机制被观测的对象，事件监听器则监测UI组件的动态变化。当用户操作客户端UI组件时，将触发Vaadin的事件机制，监听器将接到事件传送的消息，然后依据程序业务逻辑进行相关业务处理。

当用户进入谐分量-影响系数法动平衡计算界面，输入原始测量数据，UI组件检查数据输入合法性和完整性，一旦检测到非法字符将要求用户重新输入。数据输入完整后，点击界面右下角“计算”按钮，该按钮组件上所绑定的事件监听器立即触发Button.ClickEvent事件，该事件处理器将用户输入数据传送至服务器端UI组件。服务器端组件通过事件处理逻辑(Button.ClickListener监听事件)获取用户数据输入，内部判断数据输入合法性，并将合法字符串转换为数值，由逻辑处理代码调用相应的功能计算模块进行计算。由于服务器端UI组件与计算结果绑定，当终端适配器检测到UI组件的状态变化时便作出响应，再将响应传送至客户端浏览器，最终将计算结果呈现在用户客户端Web界面。

2.3 软件实现

系统在基于Vaadin Web开发框架基础上，为降低开发量和提高效率，充分利用Vaadin Add-ons各种成熟应用插件进行Web界面渲染[8]，以达到系统界面美观和功能完善，其具体配置如下：开发平台为Eclipse(Version: Neon)；开发语言为Java；Web框架为Viddin v7.0；服务器为tomcat v9.0;Vaadin Add-ons插件包括NumberField(数据输入插件)、jcommon和jfreechart(图形插件)和JFreeChart wrapper(图形打包插件)。

3 实例应用分析

某新建机组汽轮机为东方汽轮机厂有限责任公司制造的超高压、一次中间再热、单轴、冲动式、双缸双排汽汽轮机，型号为N150-13.24/535/53。机组轴系示意图如图2所示。

该机组过临界转速时发电机原始振动较大，其4、5瓦的原始振动值分别为80 μm∠53°、130 μm∠183°，经频谱分析，以基频分量为主，转速稳定时振动基本稳定，该振动性质为稳定的普通强迫振动。由于瓦振很小，实际测量轴承座各连接部件的振动值差异很小，可排除轴承座支撑动刚度不足原因，其振动是由转子激振力引起，可判断发电机存在一定不平衡量，决定对其进行动平衡。经正、反分量计算，其正、反分量分别为50 μm∠145°、96 μm∠21°，发电机转子两端振型以反向分量为主，基于振型平衡原理，首先需降低反向分量振幅值，可在4、5瓦施加反对称加重，即在4、5瓦分别加试重300 g∠95°、300 g∠275°。第1次加重后，4、5瓦振动分别为22 μm∠293°、105 μm∠150°。打开谐分量-影响系数法转子动平衡计算系统，将以上参数输入，其步骤如下：

用户进入系统后，点击左侧菜单“双面平衡”后，选择谐分量-影响系数法：分别输入4、5瓦原始振动“振幅”和“相位”;分别输入4、5瓦同时试加重的“质量”和“安装角度”;分别输入4、5瓦试加重后的“振幅”和“相位”;选择试加重是否去掉。

点击“计算”按钮，可得出平面A、B的正、反对称影响系数和最终校准质量，计算结果如图3所示。

根据计算结果，可显示平衡块安装示意图，动态显示试加重、校准质量的平衡块安装位置，可指导现场平衡块快速安装，如图4所示。

经过第1次试配重后，4、5瓦的振动幅值和相位变化明显，但4瓦Y向轴振还是比较大，经正反分量计算，4、5瓦轴振仍以反向分量为主。在此基础上，通过谐分量-影响系数法重新计算配重校准质量，在保留上次加重情况下，分别在4、5瓦侧配重220 g∠0°和220 g∠180°。机组重新启动定速后，发电机4、5瓦轴振均稳定在40 μm左右，振动达优良水平。